孫忠，冀振亞，王德榮，胡博，劉學城，周榮海

(1.長春國地探測儀器工程技術(shù)股份有限公司，長春 130000；2.水利部長春機械研究所，長春 130012)

0 引言

時間域電磁法(TEM)也稱為瞬變電磁法，是近年來發(fā)展較快的一種探測方法。瞬變電磁法具有組合方式多樣、異常響應強、分辨率高、工作效率高、對探測區(qū)域沒有損害等諸多優(yōu)點。國內(nèi)的一些單位將瞬變電磁法應用于堤壩上進行滲漏隱患探測[1]，均取得了良好的效果；還有單位對瞬變電磁法應用于堤壩探測中存在的技術(shù)問題進行了探索[2]，說明瞬變電磁法是解決堤壩滲漏探測問題的行之有效的方法之一。作者在前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用國家地球物理探測儀器工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的MiniTEM-II型淺層瞬變電磁探測系統(tǒng)對吉林省長春市凈月潭水庫大壩、新立城水庫大壩和石頭口門水庫大壩進行了勘探實驗，通過與現(xiàn)有地質(zhì)資料比對，驗證了瞬變電磁法在滲漏隱患探測中具有良好的應用效果。

1 方法原理與儀器系統(tǒng)

瞬變電磁法是利用不同接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，在一次電磁場發(fā)射間歇，用線圈或接地電極接收由該脈沖電磁場感應的地下渦流產(chǎn)生的二次場，通過觀測二次場空間和時間的分布規(guī)律，解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。本次探測采用磁源做為激勵場源，通過分離回線，中心回線和重疊回線三種回線方式的比較[3]，確認采用中心回線裝置。該回線裝置的特點是與目標耦合緊密、異常幅度大、橫向分辨率高，在良導體分布較多區(qū)域比重疊回線裝置具有更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)。

瞬變電磁探測系統(tǒng)主要包括3部分：①發(fā)射系統(tǒng)：包括發(fā)電裝置、發(fā)射機、一定長度的發(fā)射線圈，發(fā)射線圈通常為正方形；發(fā)射機由12 V的電瓶供電，發(fā)射機產(chǎn)生一定強度的電流供給發(fā)射線圈，從而在地下建立起一次場。②接收系統(tǒng)：由數(shù)據(jù)采集裝置和感應線圈組成，主機的功能是對信號進行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣和存儲，線圈采用面積11.8 m2的圓形多匝線圈；在本次勘探實驗中，選用的儀器是國家地球物理探測儀器工程技術(shù)研究中心生產(chǎn)的MiniTEM-II型淺層瞬變電磁探測系統(tǒng)，該儀器性能穩(wěn)定、接收發(fā)射裝置精巧、施工方便快捷、探測盲區(qū)小，用于接受垂直感應磁場。③同步系統(tǒng)：用于發(fā)射系統(tǒng)與接受系統(tǒng)之間的同步，接收機通過同步系統(tǒng)控制發(fā)射系統(tǒng)供電和斷電的時間，保證信號的采樣是在斷電后一定時間延遲時刻開始，本次通過GPS天線進行同步。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 凈月潭水庫堤壩的數(shù)據(jù)采集

本次探測工作的工區(qū)位于長春市凈月開發(fā)區(qū)內(nèi)的凈月潭水庫，目的是通過物探手段了解水庫堤壩內(nèi)部是否存在滲漏隱患及其位置。凈月潭工區(qū)地貌以丘陵為主，庫區(qū)周圍地形起伏較大，最大高差50 m 左右，壩體結(jié)構(gòu)為均質(zhì)土壩，符合均勻?qū)訝罱橘|(zhì)的假設(shè)。地勢開闊，通視狀況良好，地下、地表情況較為復雜，行走車輛等干擾源也同時分布在測區(qū)周圍，不利于地球物理探測的展開，對實際測量的結(jié)果會造成一定影響。

基于上述因素，本工程為冬季施工，便于盡量減少外界因素對數(shù)據(jù)采集的干擾。鑒于測區(qū)環(huán)境復雜，為在復雜的情況下得到可信的結(jié)果，本測區(qū)采取了淺層瞬變電磁方法的測量，在現(xiàn)有條件下得出可信物探結(jié)論，為甲方今后的管理提供參考依據(jù)。根據(jù)此次地質(zhì)任務的需求，在堤壩頂部布置了兩條平行測線，長度均為200 m，兩條線高差為40 m，分別位于堤壩頂部和堤壩背水面中部頂部，如圖1所示。

圖1 測線布置圖

根據(jù)現(xiàn)場施工和地質(zhì)情況，使用參數(shù)如下：①瞬變電磁發(fā)射機工作電壓12 V；②發(fā)射線圈邊長10 m；③發(fā)射電流為中頻躍階電流(15 A，25 Hz)；④中心線圈接收方式，線圈有效面積11.8 m2；⑤接收疊加次數(shù)為1024次；⑥點距20 m，線距10 m。

為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，針對此次施工制定了如下要求：①施工人員嚴格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范；②接收機進行重復實驗，保證采集到的數(shù)據(jù)誤差在要求范圍內(nèi)；③施工人員每一次測量前應檢查接收和發(fā)射線圈的擺放和位置，合格后方可進行觀測；④關(guān)注數(shù)據(jù)采集過程，接收或發(fā)射端出現(xiàn)問題時應及時檢查，解決問題并重新測量；⑤各個測點的坐標與參數(shù)準確對應，采集完成及時保存；⑥采集完成后查看數(shù)據(jù)質(zhì)量，不符合要求要重新采集，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

物探資料的反演與解釋就是根據(jù)實際物探工作所取得的相關(guān)數(shù)據(jù)，形成地下巖體的數(shù)據(jù)模型，然后通過數(shù)學手段，將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型，進而推測出地層構(gòu)造的發(fā)育情況，并對相關(guān)地質(zhì)任務做出最終研判。數(shù)據(jù)反演基于納比吉安的煙圈理論計算的視電阻率和視深度，理論計算得到的反演結(jié)果能夠有效地顯示數(shù)據(jù)設(shè)定的地電模型的大致形態(tài)，而且計算簡單、快速。根據(jù)實測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，基于煙圈理論的數(shù)據(jù)反演可以快速地了解探測區(qū)域的地電結(jié)構(gòu)，并有助于提高實際反演解釋工作的準確性[4]。最后用相關(guān)成圖軟件，繪制視電阻率斷面圖。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，通過一維反演得到兩條視電阻率斷面圖，如圖2和圖3所示。橫坐標代表測點位置，共200 m，縱坐標代表視深度。

圖2 水壩頂部(測線1)斷面圖

圖3 水壩中部(測線2)斷面圖

通過對斷面圖、現(xiàn)場情況以及地質(zhì)資料的分析，得到的結(jié)論是兩條測線所反應出的壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電阻率未見異常，在勘測范圍內(nèi)壩體內(nèi)部無異常低阻帶，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，壩體內(nèi)部無滲漏。為了對勘探結(jié)果進行驗證，與水庫管理方進行了資料互通，證實該壩體無滲漏，與反演結(jié)果吻合。

2.2 石頭口門水庫堤壩探測

長春市石頭口門水庫地處飲馬河中游，位于長春市東約30 km，水庫以防洪除澇、供水灌溉為主，始建于1958年6月，1965年10月項目竣工?？値烊?2.64億立方米，日供水量占長春市日供水量的70%。該水庫控制流域面積約4944 km2，為低山丘陵臺地[5]，壩體結(jié)構(gòu)為均質(zhì)土壩。

根據(jù)地質(zhì)任務，在壩體背水面及堤壩頂部布設(shè)2條測線，測線編號分別為SX1和SX2。SX1線處于背水面斜坡上，采用邊長為10 m的矩形線圈，沿傾斜面布置；SX2線由于受堤壩頂部寬度限制，在保證探測深度和信號強度的前提下，采用邊長為5 m的矩形發(fā)射線圈。測線位置如圖4所示。

圖4 石頭口門水庫測線位置圖

為了減小地形影響和各類干擾，提高信噪比，在技術(shù)上采用多次疊加技術(shù)，增大發(fā)射電流，提高信噪比；同時，精確計算線框面積，保證參數(shù)準確。本次采用的參數(shù)如下：① 瞬變電磁發(fā)射機工作電壓12 V；②發(fā)射電流為中頻躍階電流(11 A，12.5 Hz)；③中心線圈接收方式，線圈有效面積11.8 m2；④接收疊加次數(shù)為512次。

施工按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，與凈月潭水庫技術(shù)要求一致。數(shù)據(jù)反演基于納比吉安的煙圈理論計算的視電阻率和視深度，確保反演結(jié)果具有很高的準確性。圖5和圖6為SX1、SX2視電阻率斷面圖，橫坐標代表測點位置，縱坐標代表視深度。其中SX1線東起130 m處存在一處高阻異常，視深度為20～27 m處；SX2線東起110 m處存在異常，視深度7～12 m處，兩線互相印證后，異常位置對應準確。該測線整體電阻率分布表現(xiàn)為表層相對高阻，底層相對低阻，整體分層清晰明顯，表明壩體及其底部地層結(jié)構(gòu)完整。通過和現(xiàn)有地質(zhì)資料進行對比，考慮高阻異常為不規(guī)則石塊可能性較大。

為了對物探結(jié)果進行驗證，選定SX2線22測點處進行鉆孔驗證，結(jié)果在其下發(fā)現(xiàn)石塊，位置處于距壩頂12 m處。

圖5 SX1線視電阻率斷面圖

圖6 SX2線視電阻率斷面圖

2.3 新立城水庫堤壩探測

長春市新立城水庫位于長春市東南方向16 km處，是伊通河流域最大的水利樞紐工程，位于流域中上游。水庫總庫容5.92億立方米 (加固后庫容)，控制流域面積8255 km2，工程是以城市供水為主，并兼?zhèn)浞篮?、灌溉、漁業(yè)和旅游等功能。水庫由土壩、溢洪道和輸水洞等建筑物組成。2007年大壩安全鑒定后建議進行除險加固，經(jīng)加固后壩基滲水問題已經(jīng)得到解決[6]。壩體結(jié)構(gòu)為亞黏土均質(zhì)壩，壩頂高程為224 m，壩長2680 m，頂寬8 m，最大壩高18.15 m。

通過對大壩的充分了解和以往資料的收集整理，對比高密度電法、探地雷達等其他探測手段，確定此次滲漏隱患探測采用瞬變電磁法的中心回線布置方式，其優(yōu)點是布置方式靈活，對路面無損傷，并且能夠快速、有效、準確地得到探測結(jié)果，對大壩的管理和問題治理起到幫助。根據(jù)地質(zhì)任務，測線布置在壩頂。由于壩頂鋪設(shè)了瀝青道路，早晚來往車輛密集，所以選擇上午10點至下午4點進行勘探工作。在數(shù)據(jù)正式采集前，對設(shè)備進行測試調(diào)整，確保合理的參數(shù)設(shè)定；在數(shù)據(jù)采集的過程中，距發(fā)射線圈兩旁20 m處設(shè)立禁止通行標志，保證采集過程中受到的干擾最小；實時監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)，出現(xiàn)問題重新采集，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；施工嚴格按照相關(guān)技術(shù)標準執(zhí)行。

經(jīng)過現(xiàn)場實驗，本次勘探最佳參數(shù)如下：①瞬變電磁發(fā)射機工作電壓12 V；②發(fā)射電流為中頻躍階電流(12 A，12.5 Hz)；③中心線圈接收方式，線圈有效面積11.8 m2；④接收疊加次數(shù)為512次；⑤采用10 m邊長的矩形線圈。

數(shù)據(jù)反演基于納比吉安的煙圈理論計算的視電阻率和視深度，可以快速、準確地得到壩體的地下電性結(jié)構(gòu)。由于是分段測量，現(xiàn)選取其中有異常顯示的測線視電阻率斷面圖，如圖7所示。橫坐標代表測點位置，縱坐標代表視深度。

圖7 大壩某段測線視電阻率斷面圖

圖中紅色圈出的位置有明顯的高阻異常，其位置位于測線上170 m處，距壩頂15 m左右，通過現(xiàn)場驗證和地質(zhì)資料的比對，確定其為水位觀測孔。其他測區(qū)壩體電性結(jié)構(gòu)均勻，無明顯滲漏隱患存在。

3 結(jié)語

瞬變電磁法經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，儀器精度不斷提高，資料處理技術(shù)快速發(fā)展，其應用范圍正逐步擴大。本研究使用性能穩(wěn)定、精度高的新型淺層瞬變電磁設(shè)備，在多個水庫堤壩上進行了實驗。為了取得良好的效果，實驗從方案設(shè)計、儀器參數(shù)選擇、施工過程、數(shù)據(jù)處理與解釋、地質(zhì)資料的驗證等方面均有嚴格的要求，使每個環(huán)節(jié)都準確合理。結(jié)果表明，采用淺層瞬變電磁探測系統(tǒng)中心回線裝置進行探測可以查明堤壩滲漏隱患，其應用前景十分廣闊。當然，由于物探結(jié)果存在多解性，可以采用綜合物理探測，聯(lián)合多種物探方法互相驗證，對勘探工區(qū)情況進行充分了解，并借鑒專家的經(jīng)驗和意見，以提高解釋結(jié)果的準確度。

參考文獻：

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